专利名称：一种基于纳米材料表面催化发光识别蛋白质的装置及方法
技术领域：
本发明属于传感器阵列技术领域。特别涉及一种利用纳米材料表面催化发光识别 常见蛋白质的方法及其专用传感器阵列。
背景技术：
目前，模仿动物嗅觉或味觉器官而开发的交互响应传感器阵列在气体检测和溶液 识别的应用都得到了不同程度的研究和开发。不过，用于溶液样品识别特别是蛋白等生物 大分子识别的传感器阵列的种类并不是很多，而且绝大多数都基于显色反应、荧光淬灭、指 示剂置换等分子间强相互作用，信号响应很难回复，致使传感器阵列只能做一次性使用，不 符合“电子鼻(舌)”技术的发展趋势。另外，很多传感器阵列单元都用到了显色指示剂、有 机荧光染料、高分子受体等稳定性较差的物质，限制了这类传感器的实际应用。近年来，我 们发展了基于待测物分子在具有催化活性的纳米材料表面发生氧化还原反应而产生化学 发光的原理的纳米催化发光气敏传感器，具有选择性好、响应速度快、恢复快、传感材料无 损耗、使用寿命长的特点，并且利用发光成像的方法构建了纳米材料的阵列能对乙醇、三甲 胺、苯甲醛等挥发性有机物进行识别检测，然而还不能应用到一些生物大分子等不易挥发 物质例如蛋白质的识别检测中去。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够识别蛋白质溶液种类的传感器装置。基于纳米材料表面催化发光识别蛋白质的装置，其特征在于，含有石英封装组件， 在石英封装组件上设置有进气口、出气口和密封盖，在所述石英封装组件的上方设置光电 倍增管，所述光电倍增管连接信号处理电路；在所述石英封装组件内放置表面涂敷或烧结 有不同纳米材料的六块或六块以上电热陶瓷片构成的热电传感元件阵列；所述电热陶瓷片 之间在电气上并联，电热陶瓷片连接的引线穿过所述石英封装组件，连接外部直流电源。所述纳米材料是Pt-Ba-Al、Mg0、Zr02、y -A 1203>MgCO3> SrCO3>BaO, CaO, Sr0 和 Lei2O3 中的任意六种或以上。在所述石英封装组件上方，位于光电倍增管下方放置一个单色器。基于纳米材料表面催化发光识别蛋白质的方法，其特征在于，含有以下步骤1)配制待测蛋白质溶液，浓度为5-50 μ g/mL ；2)将六种或六种以上纳米材料以粉体或烧结方式分别涂敷在至于石英封装组件 内的电热陶瓷片阵列表面；3)将电热陶瓷片阵列升温至500°C 士50°C度，使得电热陶瓷片活化；4)向石英封装组件内通入反应气体；5)将配制好的蛋白质溶液滴加到所述电热陶瓷片阵列表面，待蛋白质溶液中的 水分挥发干，再将电热陶瓷片阵列依次通电，电压在65V士5V，使得电热陶瓷片表面升温至 2000C 士20°C，蛋白质在纳米材料的催化下与空气发生氧化反应，产生激发态的产物或中间态，激发态回到基态时能量以发光的方式发出；6)光电倍增管将发出的光放大后，将光信号传输到信号处理装置进行处理，完成 蛋白质的检测。所述反应气体是洁净空气或队与A以任意比例混合的混合气体。所述纳米材料是Pt-Ba-Al、Mg0、Zr02、y -A 1203>MgCO3> SrCO3>BaO, CaO, Sr0 和 Lei2O3 中的任意六种或以上。有益效果，本发明提供的基于纳米材料表面催化发光识别蛋白质的装置及方法， 能够来有效的识别不同蛋白质，达到了预期的目的。
图1为基于纳米材料表面化学发光的装置结构正视图和传感器阵列俯视图。图2为8种蛋白质水溶液的催化发光信号图，每张图的六个峰分别代表该蛋白依 次在Pt-Ba-Al，MgO, ZrO2, y -Al2O3, MgCO3, SrCO3这六种纳米材料上的催化发光信号。图3为8种蛋白质水溶液在六种纳米材料上的催化发光强度柱形图。图4为经过线性判别分析(LDA)得到的各蛋白典型性评分散点图。图5为8种蛋白质水溶液在不同浓度条件下在Pt-Ba-Al上的催化发光信号图，每 张图的六个峰分别代表该蛋白浓度为5、10、20、30、40、50yg/mL时的催化发光信号。
具体实施例方式本发明提供的识别蛋白传感器阵列，包括带有进气口、出气口和密封盖的石英封 装阵列组件；其中，所述石英封装阵列组件的内腔中，设有表面涂敷或烧结有纳米材料的6 块以上电热陶瓷片构成的传感元件阵列；每个传感单元的电热陶瓷片的两端分别固定于电 极上；所述各电极用引线穿出所述密封盖，连接到暗室外控制加热顺序和加热温度的电路 上。该传感器中，各种对蛋白质具有催化发光特性的纳米材料均适用于该传感器，如 Pt-Ba-Al, MgO, ZrO2, Y-Al2O3，MgCO3, SrCO3等；各种常见的发热温度较高的电热陶瓷片均 适用于该传感器。该传感器还包括设于所述石英封装组件上方的光信号接收器，该光信号 接收器可由单色器和光电倍增管组成。电热陶瓷片的功率和大小、两电极之间的最大电压 及最大电流均可根据实际需要选取。本发明提供的识别蛋白的方法，是将蛋白质水溶液(5_50μ g/ml)滴加到每个阵 列单元(涂敷有不同纳米材料的电热陶瓷片)上，待溶液中水分挥发干，再将加热片通电， 蛋白质就在纳米材料的催化下与从进气口进来的空气发生氧化反应，产生激发态的产物 或中间态，激发态回到基态时能量以发光的方式发出，通过检测这一化学发光信号，完成 蛋白质的检测。同时，通过顺序加热6个阵列单元，顺序采集发光信号的方式，我们能得 到蛋白质在阵列上的催化发光响应信号模式图，再利用计算机进行线性判别分析(Linear Discriminant Analysis，LDA)或主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，得到 各蛋白质水溶液的区分分类结果，实现多种蛋白质的识别检测。该方法是利用纳米材料催化水溶液中的蛋白质产生发光的特性，按阵列识别的模 式，对各蛋白质水溶液进行鉴别。催化反应的反应温度由发热的电热陶瓷片提供，具体反应温度为蛋白在纳米材料催化下与空气发生氧化反应的温度，如150-300°C，优选205°C。通 入空气的流速为75-375mL/min，优选200mL/min，空气也可由队与仏以任意比例混合的混 合气来替代。本发明利用纳米材料表面对蛋白质有催化发光的特点，并且不同材料对同种蛋白 的催化发光强度有所差别，不同蛋白在同种材料上的催化发光强度也不同，可以形成“指纹 信息”作为识别蛋白质的依据，进而构建了纳米材料阵列，实现对不同蛋白质的识别检测。 该阵列传感器结构简单，同时还具有能耗和热背景低、无试剂损耗、重复性好、寿命长的特 点，可作为“电子舌”对蛋白质水溶液进行识别。下面结合
本发明的具体实施方式
。图1为本发明提供的纳米材料表面化学发光的传感器阵列结构示意图。该传感器 阵列的构成如下六组电热陶瓷片5及在其表面涂敷纳米材料6构成的传感元件固定电路 板上(电路板的设计使得六组电热陶瓷片并联，并分别安有电压控制系统)，两根引线7、8 穿过密封盖3，置于带有进气口 1和出气口 2的石英封装组件4。其中，电路连接使得六组 电热陶瓷片可以依次加热。另外，此装置还包括石英封装组件上部的光信号接收器单色器 9和光电倍增管10。下述实施例中所用传感器的电热陶瓷片大小为IOX IOmm2/片，也可根据实际需要 将陶瓷片面积调大，但不要超过300mm2/片，施加在每片电热陶瓷片之间的电压在适当范围 内。本发明提供的识别蛋白质水溶液的具体检测过程如下将纳米材料6以粉体或薄膜的形式按照常规方法涂敷或烧结在电热陶瓷片5的表 面，加热至500°C或以上，保持温度IOmin以上，以消除吸附物的干扰。先在各传感单元的纳 米材料表面上滴加10 μ L(也可以是5-20 μ L)蛋白质水溶液，待溶液中水分挥发干，再将加 热片通电，蛋白质就在纳米材料的催化下与从进气口 1进来的空气发生氧化反应，产生激 发态的产物或中间态，激发态回到基态时能量以发光的方式发出，通过光电倍增管放大后 电脑自动记录这一化学发光信号，完成蛋白质的检测。对要测试的各种蛋白质水溶液以相 同的方法重复测试5-7次，最后将每种蛋白质水溶液在纳米材料阵列表面的催化发光模式 图输送至数据处理系统，经LDA或PCA运算处理，成功将蛋白质区分和识别。下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例1将六种纳米材料Pt-Ba-Al，MgO，ZrO2, y -Al2O3, MgCO3, SrCO3以粉体的形式分别涂 敷在六块加热陶瓷片表面，升温至500°C，保持lOmin，以消除吸附物的干扰。流通气气体为 洁净空气(由空气泵发生)，流速在lOOmL/min左右。取10 μ L蛋白质水溶液，如10 μ L牛 血清白蛋白(BSA)水溶液(浓度可在5-50 μ g/mL)，滴加到每个纳米材料的表面，待溶液中 水分挥发干，再将六个加热片依次通电，电压在65V士5V，此时纳米材料表面会产生205°C 左右的高温，蛋白质就在纳米材料的催化下与从进气口进来的空气发生氧化反应，产生激 发态的产物或中间态，激发态回到基态时能量以发光的方式发出，通过光电倍增管放大后 电脑自动记录这一化学发光信号，完成蛋白质的检测。(得到6种不同的？？)实施例2将六种纳米材料Pt-Ba-Al，MgO，ZrO2, y -Al2O3, MgCO3, SrCO3以粉体的形式分别涂敷在六块加热陶瓷片表面，升温至500°C，保持lOmin，以消除吸附物的干扰。流通气气体为 洁净空气(由空气泵发生)，流速在lOOmL/min左右。配制牛血清白蛋白，人血清白蛋白，卵 清白蛋白，溶菌酶，核糖核酸酶，胰蛋白酶，胃蛋白酶，木瓜蛋白酶这八种蛋白的水溶液，浓 度均控制在10yg/mL。对每一种蛋白质的水溶液均先行滴加到每个阵列单元表面，待溶液 中水分挥发干，再将加热片通电，65V士5V，蛋白质就在纳米材料的催化下与从进气口进来 的空气发生氧化反应，产生激发态的产物或中间态，激发态回到基态时能量以发光的方式 发出，通过检测这一化学发光信号，完成蛋白质的检测。同时，通过顺序加热6个阵列单元， 对每种蛋白质在6种纳米材料上产生的发光信号进行顺序采集，我们能得到蛋白质在阵列 上的催化发光响应信号模式图(图幻。对这8种蛋白质均进行上述操作和测试。实施例3将实施例2中的实验重复若干次(一般为5-7次)，得到8种蛋白质的指纹谱图， 从图3我们可以很清楚地看到不同材料对同种蛋白的催化发光强度有所差别，不同蛋白在 同种材料上的催化发光强度也不同，各个蛋白之间的差别一目了然。再将各个蛋白质水溶 液在传感器阵列上的催化发光强度原始数据输入电脑，用SPSS vl6. 0(也可使用SYSTAT等 其它统计软件)进行LDA分析，得到如图4的各蛋白典型性评分散点图，由此图可以看出对 于同种蛋白，五次重复实验得到5个典型性评分点都聚集到一个较小的空间区域里，而不 同蛋白之间的典型性评分点空间距离相对分开，即对于我们测试的8种蛋白来讲典型性评 分点分布在了空间八个区域，准确完成了这八种蛋白质水溶液的识别。实施例4 配制牛血清白蛋白，人血清白蛋白，卵清白蛋白，溶菌酶，核糖核酸酶，胰蛋白酶， 胃蛋白酶，木瓜蛋白酶这八种蛋白的水溶液，对于每种蛋白都配制六例浓度分分别为5、10、 20、30、40、50 μ g/mL的水溶液。然后按照实施例2所述的方法在Pt-Ba-Al单种纳米材料上 对这8种蛋白分别从低浓度样品测到高浓度样品，得到如图5的信号结果。从该结果可以 看出，对于这八种蛋白来说浓度从低到高变化时在纳米材料上的催化发光强度也从低到高 变化，说明该成果可对不同浓度蛋白进行区分。
权利要求
1.基于纳米材料表面催化发光识别蛋白质的装置，其特征在于，含有石英封装组件，在 石英封装组件上设置有进气口、出气口和密封盖，在所述石英封装组件的上方设置光电倍 增管，所述光电倍增管连接信号处理电路；在所述石英封装组件内放置表面涂敷或烧结有 不同纳米材料的六块或六块以上电热陶瓷片构成的热电传感元件阵列；所述电热陶瓷片之 间在电气上并联，电热陶瓷片连接的引线穿过所述石英封装组件，连接外部直流电源。
2.如权利要求1所述的基于纳米材料表面催化发光识别蛋白质的装置，其特征在于， 所述纳米材料是 Pt-Ba-Al、MgO、ZrO2、γ _A1203、MgC03、SrC03、BaO、CaO、SrO 和 Lei2O3 中的任 意六种或以上。
3.如权利要求1所述的基于纳米材料表面催化发光识别蛋白质的装置，其特征在于， 在所述石英封装组件上方，位于光电倍增管下方放置一个单色器。
4.基于纳米材料表面催化发光识别蛋白质的方法，其特征在于，含有以下步骤1)配制待测蛋白质溶液，浓度为5-50μg/mL ；2)将六种或六种以上纳米材料以粉体或烧结方式分别涂敷在至于石英封装组件内的 电热陶瓷片阵列表面；3)将电热陶瓷片阵列升温至500°C士50°C度，使得电热陶瓷片活化；4)向石英封装组件内通入反应气体；5)将配制好的蛋白质溶液滴加到所述电热陶瓷片阵列表面，待蛋白质溶液中的水 分挥发干，再将电热陶瓷片阵列依次通电，电压在65V士5V，使得电热陶瓷片表面升温至 2000C 士20°C，蛋白质在纳米材料的催化下与空气发生氧化反应，产生激发态的产物或中间 态，激发态回到基态时能量以发光的方式发出；6)光电倍增管将发出的光放大后，将光信号传输到信号处理装置进行处理，完成蛋白 质的检测。
5.如权利要求4所述的基于纳米材料表面催化发光识别蛋白质的方法，其特征在于， 所述反应气体是洁净空气或队与A以任意比例混合的混合气体。
6.如权利要求4所述的基于纳米材料表面催化发光识别蛋白质的方法，其特征在于， 所述纳米材料是 Pt-Ba-Al、Mg0、Zr02、γ _A1203、MgC03、SrC03、BaO、CaO、SrO 和 Lei2O3 中的任 意六种或以上。
全文摘要
本发明属于传感器阵列技术领域。其特征在于，是将蛋白质水溶液滴加到涂敷有不同纳米材料的多个电热陶瓷片上，顺序通电加热，蛋白质在纳米材料的催化下与从进气口进来的空气发生氧化反应，产生激发态的产物或中间态，激发态回到基态时能量以发光的方式发出，通过检测化学发光信号，完成蛋白质的检测。本发明还提出了实现该方法的装置，含有石英封装组件，在其上设置进气口、出气口和密封盖，在其上方设置光电倍增管，光电倍增管连接信号处理电路；在组件内放置表面涂敷或烧结有不同纳米材料的电热陶瓷片；电热陶瓷片之间电气上并联，并连接外部直流电源。本发明具有结构简单，能耗和热背景低、无试剂损耗、重复性好、寿命长等特点。
文档编号G01N21/71GK102072896SQ201010530958
公开日2011年5月25日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者孔浩, 张四纯, 张新荣 申请人:清华大学